含有Cu和C的Al合金及其制造方法与流程

本发明涉及含有Cu和C的Al合金及其制造方法。

背景技术：

作为高强度铝合金的代表性产品，有被称作硬铝(duralumin)、超硬铝等的Al-Cu系的所谓牌号2000的铝(Al)合金。牌号2000的铝合金的主要成分为铜(Cu)，主要通过CuAl₂(θ相)或与此类似的相的析出来强化合金。

还可通过在Al-Cu系合金中添加Mg等元素来实现进一步的强度提高，但这样的金属元素的添加所带来的强度提高是有限度的。另外Al-Cu系合金原本耐腐蚀性并不优异，在进一步添加合金元素时，需要在合金设计上考虑不要使耐腐蚀性降低。另外在Al-Cu二元系合金中，有难以获得均匀的组织的倾向，而且Cu含量设定的自由度也有降低倾向。

专利文献1(该专利的发明人与本发明的发明人重复)中记载，通过在铜中添加石墨形态的碳(C)，所得Cu-C合金具有更高的拉伸强度。还记载了用于制作这样的Cu-C合金的方法。发明人认为，如果可以与Cu同样在Al-Cu合金中添加C，或许可实现Al-Cu合金的高强度化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利5397966号公报。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供：在含有Cu的Al合金中，进行可提高该Al合金的强度的C添加的技术。

根据本发明的一个实施方案，提供制造含有Cu和C的Al合金的方法。该方法包含在含有Cu的Al的熔融液中添加石墨粉末和增碳(加炭)促进剂。

作为增碳促进剂，例如可使用含有硼(B)或硼化合物、例如硼砂的物质。

优选添加石墨粉末和增碳促进剂时的熔融液的温度为800-1000℃。低于800℃，则石墨粉末溶解于熔融液中需要时间或者可能未充分溶解。另外，若超过1000℃，则铝的氧化剧烈，而且熔炉的电费等高涨，不经济。

优选将添加石墨粉末和增碳促进剂时的熔融液周围的氧浓度抑制为较低。低氧浓度气氛例如可通过使用密闭式的反射炉(例如参照后述实施方案)来实现。通过将氧浓度抑制为较低，可以抑制石墨粉末的氧化、燃烧导致的损耗。需说明的是，代替上述，也可以将熔炉容纳于真空室内，还可以用包含氩气等惰性气体的保护气体覆盖熔融液表面。

添加石墨粉末和增碳促进剂时的熔融液的组成优选为Al-Cu合金的共晶组成(即Al-33wt%Cu)或其附近的组成(Cu量向亚共晶一侧略微位移或者向过共晶一侧略微位移)。例如熔融液的组成可以是在Al-27-36wt%Cu的范围内。人们熟知在二元系合金中添加第3元素(金属元素)时，通过在共晶组成或其附近的组成的二元系合金中添加第3元素，可以高效地添加第3元素，但通过发明人的研究才明确：这也适用于在Al-Cu二元系合金中进行石墨添加的情况。

在添加了石墨粉末和增碳促进剂后的熔融液中至少熔入纯Al(例如纯Al的锭)，由此可以稀释熔融液，调整为所需的Cu浓度和C浓度。也可以在添加了石墨粉末和增碳促进剂后的熔融液中添加Al，以及镁(Mg)、锰(Mn)等的被称为硬铝或超硬铝的Al-Cu系合金中所含的合金成分，制作具有相当于硬铝或超硬铝的组成且含有C的合金。这些合金成分可以以母合金的形态添加。

代替上述，也可以在具有所需组成的以Cu为主要添加元素的铝合金、例如具有相当于上述硬铝或超硬铝的组成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促进剂粒子，由此制备添加了碳的铝合金。这样做，也可以在合金中均匀地添加碳。

由该方法制造的含有Cu和C的Al合金可以是含有Cu和C且余量由Al以及不可避免的杂质构成的Al-Cu-C三元合金，或者制成含有Cu和C以外的至少一种合金元素的合金。合金中除Al、Cu、C之外还可以含有硅(Si)。即，例如合金可以是在“JIS H5202 铝合金铸造物”中规定的AC2A(Al-Si-Cu合金)中添加了C的合金。

根据本发明的其它实施方案，提供含有Cu和C且C分布于金属组织中的Al合金。该Al合金可通过上述方法制造。该Al合金可以进一步含有C以外的合金元素。

附图说明

图1是对合金的熔融所用的炉进行说明的图，(a)是概略长度方向截面图，(b)是概略平面图，(c)是概略正面图。

图2是显示在具有相当于JIS H4000中定义的合金编号2017的组成的铝合金中添加C时的组织变化的电子显微镜照片(二次电子射线图像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.1wt%C，(c)表示添加0.3wt%C。

图3是显示在含有5wt%Cu且余量由Al和不可避免的杂质构成的Al合金中添加C时的组织变化的电子显微镜照片(二次电子射线图像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.3wt%C。

图4是通过电子探针显微分析(EPMA)得到的X射线分布图(map)，(a)是对于Al进行显示，(b)是对于Cu进行显示，(c)是对于C进行显示。

图5是表示图4(a)的X射线分布图上较多检测出C的部位的图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方案进行说明。

<Al-Cu熔融液的制作>

准备共晶组成(Al-33%wtCu)或与其接近的组成、例如亚共晶组成的Al-28wt%Cu的熔融液。这样组成的熔融液可通过将可商业性获得的Al-Cu母合金熔融而容易地制作。当然也可以自己制作这样组成的合金。该熔融液的温度设为800-1000℃。

这里，可以使用例如图1示意性表示的反射炉10。该反射炉10具有圆顶型的顶棚12。反射炉10的一侧的侧壁14上设有设置了重油燃烧器16的燃烧器口18。在反射炉10的顶棚12的侧壁14一侧设有排气口20。由燃烧器口16向反射炉10的另一侧侧壁22喷射的燃烧器火焰(通过燃烧产生的气体)因侧壁22而转向，流向侧壁12，由排气口20排气(参照图1b)。通过该循环的燃烧气体的流动逐出存在于炉内的空气，同时，通过燃烧气体中所含的未燃烧成分的燃烧而消耗掉存在于炉内的空气中的氧。由此，反射炉内的氧浓度可抑制为较低。

<增碳处理>

反射炉10内的熔融的Al-Cu母合金达到800-1000℃的范围内的规定温度、且反射炉10内的氧浓度在低的状态稳定后，由未图示的加料口向反射炉10内加入石墨粒子(可以是粉末也可以是颗粒)和含有硼或硼化合物的增碳促进剂粒子(可以是粉末也可以是颗粒)。石墨粒子附着于增碳促进剂粒子上，随着熔融液的自然对流分散于熔融液中。通过熔融液的自然对流可以充分确保熔融液的均质性。需说明的是，也可以采用非接触式电磁搅拌装置(搅拌器)等公知的搅拌装置来搅拌熔融液，促进石墨粒子和增碳促进剂粒子在熔融液中的更均匀的分散。

石墨(碳)溶入铝熔融液后，完成了任务的增碳促进剂形成浮渣状，浮于熔融液表面。浮渣例如可通过耐火材料制的长柄勺等除去。

需说明的是，若不添加增碳促进剂而只添加石墨粒子，则石墨粒子持续浮游于熔融液的表面，不会逐渐分散于熔融液中。

<浇铸>

然后熔融液从设于反射炉10下部的未图示的出液口倒入适当的铸型内，在其中凝固。通过以上，Al-Cu-C三元合金的浇铸完成。然后，可以根据需要对这样得到的Al-Cu-C三元合金锭进行轧制、热处理等。

可以使用通过上述制造方法得到的Al-Cu-C三元合金的母合金(Cu含量例如为33wt%左右)，制作具有相当于硬铝(例如JISH4140规定的A2014或A2017)或超硬铝(例如JISH4140规定的A2024)的组成且含有C的合金。这种情况下，将Al-Cu-C母合金，Al-Mg母合金、Al-Mn母合金等含有必要的合金成分的母合金，和纯铝以适当的比率熔融，将其浇铸在铸型中即可。

也可以在上述增碳处理之后且浇铸之前，将纯铝添加到熔融液中，进行熔融液中Cu和C的浓度调节，然后浇铸在铸型中。

还可以在上述增碳处理之后且浇铸之前，在熔融液中添加纯铝，并且进一步添加Al-Mg母合金、Al-Mn母合金等含有必要的合金成分的母合金，然后浇铸在铸型中。由此可以制作具有相当于硬铝或超硬铝的组成且含有C的合金。

上述实施方案是在Al-Cu二元合金的熔融液、特别是共晶组成或接近于共晶组成的组成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促进剂粒子，但并不限于此。例如可在具有所需组成的以Cu为主要添加元素的铝合金、例如具有相当于上述硬铝或超硬铝的组成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促进剂粒子，由此制备添加有碳的铝合金。这样做，可在合金中均匀地添加碳。

实施例

以下对具体的实施例进行说明。

制作后述表1中记载的组成的试样。表1中示出Cu含量和C含量。在实施例合金(实施例1-5)的试样的制作时，在具有Al-28wt%Cu的组成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促进剂粒子，制成Al-28wt%Cu-Xwt%C(X是稀释后成为各实施例合金的组成的值)的组成，进而将该熔融液用Al稀释，由此制成表1中记载的组成，然后在铸型中制作浇铸锭。(在制作比较例合金(比较例1、2)时，将具有Al-28wt%Cu的组成的熔融液用Al稀释，制成上述组成，然后在铸型中制作浇铸锭。)

接着对于表1的“处理”一项中记载了“轧制 热处理”的试样，将锭切削加工为长160mm×宽30mm×厚6mm的长方体形状，然后用轧机轧制至厚度为5mm。接着将轧制体切削加工成遵循JISZ2201规定的13B号的平板拉伸试验片。试验片的尺寸设为：平行部长60mm，平行部宽12.5mm，肩部半径25mm，厚度3mm，夹持部宽20mm。然后将试验片在真空中在410℃下保持2小时，然后以每小时30℃的降温速度冷却至260℃，然后自然放冷后供拉伸试验。

对于表1的“处理”一项中未记载“轧制 热处理”的试样，由锭直接(无轧制)切削加工成上述试验片形状。而且，也不进行上述一系列的热处理。

对如上所述制作的试验片，使用岛津制作所制造的万能材料试验机AG50KNI进行拉伸试验。拉伸试验中确认最大应力和最大位移。“最大应力”是将最大载荷(单位N)除以公称截面积(12.5×3mm²)所得的值，“最大位移”是出现最大载荷时的十字头位移量(mm)。对于各实施例和各比较例，是对2-3个试验片进行试验。其结果表示在表1中。

[表1]

由上述试验结果，具体来说通过实施例4、5与比较例2的比较、或者实施例2与比较例1的比较，表明通过添加C，可实现Al-Cu合金强度的大幅提高。并且可确认，通过添加C，强度的偏差有减少的倾向。可以认为，Al-Cu二元合金难以获得均匀性高的组织，但通过添加C，不仅强度提高，也实现了组织均匀性的提高。

接着对添加C带来的组织变化进行说明。图2是显示在具有相当于JISH4000中定义的合金编号2017的组成的铝合金中添加了C时的组织变化的电子显微镜照片(二次电子射线图像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.1wt%C，(c)表示添加0.3wt%C。图3是显示在含有5wt%Cu、且余量由Al和不可避免的杂质构成的Al合金中添加了C时的组织变化的电子显微镜照片(二次电子射线图像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.3wt%C。试样的制作按照与上述表1的合金的制作相同的方法进行。图2和图3的组织是铸态(As Cast)的状态的组织，未进行轧制、热处理等。各照片的画面下的白色条的长度表示照片中的100μm。

图2和图3两者中均可见C添加带来的组织的微细化。图3(b)所示的Al-5wt%Cu-0.3wt%C合金得到了与图2(a)所示的未添加C的相当于2017合金的合金大致同等的微细的组织。发明人认为该组织的微细化是使合金强度提高的主要原因。

图4是通过电子探针显微分析仪(EPMA)得到的X射线分布图，(a)是对于Al进行显示，(b)是对于Cu进行显示，(c)是对于C进行显示。需说明的是，这里所示的X射线分布图是将最高浓度部以红色、最低浓度部以蓝色(中间浓度按照色相环的颜色顺序)显示的彩色版的原本直接进行黑白复印所得。X射线分布图(a)、(b)中，大的块状的部分为Al的初晶。X射线分布图(a)、(b)中，小块聚集的部分为Al-Cu的共晶。(c)中可见呈白色的部分含有较多C。

图5中示出将图4 X射线分布图(a)上较多检测出C的部位叠加而得的图。发明人由该形态判断，C主要分布在晶界上。发明人目前还认为，分布于晶界上的C导致晶粒的微细化，有助于机械性质的提高。取决于合金种类，元素在晶界上的析出也可能使合金的延性降低，但该Al-Cu-C系合金未见这样的延性降低的现象，强度和延性两者通过添加C而提高。

需说明的是，对于C是如何参与了合金的强化，目前尚未完全明确。但是通过在含有Cu的Al的熔融液中添加石墨粒子、和含有硼或硼化合物的增碳促进剂粒子，具有再现性地确实地获得了组织微细化、强度提高的Al-Cu-C系合金，这是明确的事实。因此不应根据C是如何参与合金的强化的理论而不当地狭窄地限制本发明。

C的添加量即使非常少也可见合金的强度提高的效果。目前，例如即使仅以约80ppm(0.008wt%)左右添加C也可确认合金强度的提高。而且，目前即使将C的添加量升高至约0.4wt%左右，对其他特性也没有带来特别损害，可确认合金的强度提高。即，可认为合金中的C的添加量的允许范围非常广，C的添加量考虑所需的合金强度和材料成本(不添加超出必要量的C)适当确定即可。即，不应根据C的含量而不当地狭窄地限制本发明。

C的添加带来的组织的改良和强度的提高当然在铸造物用合金中也可确认。这通过实验也可确认。以下简单叙述实验结果。

将AC2A合金(JIS H5202)的锭熔融，在该熔融液中按照与上述实施例相同的方法添加石墨粒子和增碳促进剂粒子，然后在铸型中制作浇铸锭。然后由锭直接(无轧制且无热处理)进行切削加工，由此得到与在上述实施例中使用的试验片相同形状的试验片。这里所使用的AC2A合金锭使用了含有3.67wt%的Cu和5.3%的Si、余量为不可避免的杂质的材料。添加0.04wt%的C。

拉伸试验的结果如下所述，可知通过添加C，拉伸强度和伸长率提高。

[表2]